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Aufnahme von T-I-Kennlinien verschiedener Drähte

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Aufnahme von T-I-Kennlinien verschiedener Drähte
Wasserbad6.jpg

Aufbau mit vier Proben gleichzeitig

Kurzbeschreibung
Messung des Stroms an verschiedenen Drähten in Abhängigkeit der Temperatur
Kategorien
Digitales Messen, Elektrizitätslehre
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 8, Klasse 9
Sonstiges
Durchführungsform Demoexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus schwer
Informationen
Name: Lilly Pyras, Franz Boczianowski
Kontakt: \text{lilly.pyras}@\text{physik.hu-berlin.de}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
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Die Größe des elektrischen Widerstandes ändert sich mit seiner Temperatur. Über die einfache Formel U= R*I sind Spannung, Strom und Widerstand miteinander verknüpft. Im folgenden Experiment lässt sich bei langsamer Erwärmung verschiedener stromdurchflossener Drähte eine Änderung der Stromstärke bei konstanter Spannung beobachten. In der Literatur wird dieses Phänomen durch den Temperaturkoeffizienten mit Bezug auf den Widerstand ausgedrückt.

Versuchsanleitung

Aufbau

In diesem Versuch wird die Erwärmung durch ein Wasserbad auf einer Heizplatte realisiert. Damit die Ströme unabhängig von der Leitfähigkeit des Wassers gemessen werden können, werden sie in Laminierfolie eingeschweißt. Als hilfreich hat sich eine Mäanderform erwiesen (Abb. 1). Alternativ kann der Draht auch um ein Stück Folie gewickelt werden (Überkreuzungen und Berühren vermeiden) und anschließend laminiert werden, siehe Abb. 2. Mit der zweiten Vorgehensweise konnte wesentlich längere Drahtproben erstellt werden. Die Proben sollten zur besseren Vergleichbarkeit einen ähnlichen Widerstand aufweisen (hier 11 +/- 1 Ohm). Anschließend werden sie im Wasserbad über eine Zeit von ca. 45 min auf ca. 90 °C erhitzt. Mit einem Messwerterfassungssystem werden der Strom durch die Probe, die Spannung und die Temperatur gemessen.

Benötigte Materialien

  • Proben mit R = 11 Ω und Länge=50 bis 310 cm
  • Kupfer Ø = 0,05 mm; Eisen Ø = 0,2 mm; Konstantan Ø = 0,2 mm; Nickelchrom Ø = 0,25 mm
  • Labornetzteil (stabilisiert mit Feinregler): 1,2 V
  • Heizplatte mit Magnetrührer und Becherglas mit Wasser (500 ml)
  • Messwerterfassung mit Stromsensor und Temperatursensor (bis 120°C), Messintervall 2 s

Zu Beginn der Messung, wird die Spannung so justiert, dass der Wert der Stromstärke bei allen Proben gleich ist. Der Widerstand ist sehr gering, daher ist ein behutsames Vorgehen notwendig. Um über die gesamte Messdauer, also auch bei Erwärmung, eine konstante Spannung zu halten, muss auf einen Vorwiderstand verzichtet werden. Die ausgegebene Spannung der Labornetzteile sollte immer wieder kontrolliert werden.
Wasserbad1.jpg
Abb.1: Laminierter Draht in Mäanderform
Wasserbad3.jpg
Abb.2: Laminierter Draht um Folie gewickelt

Durchführung

Je nach Belieben kann nur eine Probe oder alle vier gemeinsam gemessen werden. Bei paralleler Messung müssen auch vier Netzteile sowie Messkanäle (bspw. Cassy) zur Verfügung stehen.

Die Proben werden möglichst mittig in das Wasserbad gehängt. Im Zentrum sollte das Thermometer angebracht werden. Der Magnetrührer muss unbedingt frei rotieren können, da sonst die Temperatur innerhalb des Becherglases nicht homogen ist und es zu Hysterese-Effekten kommen kann. Dabei ist es nicht notwendig einen "Strudel" zu erzeugen, die Rotationsgeschwindigkeit ist ausreichend, wenn sich auch die Wasseroberfläche leicht bewegt. Der Temperaturregler kann bis zum Maximum aufgedreht werden. Die Messdauer beträgt ca. 40 min bei 500 ml Wasser. Ein Messintervall von 2s hat sich als ausreichend erwiesen. Sobald 90°C erreicht sind, kann die Heizplatte ausgeschaltet werden.

Wasserbad6.jpg

Ergebnisse

Wasserbad2.png
Abb. 3: Reziproke Abhängigkeit der Stromstärke von der Temperatur für unterschiedliche Proben (von oben nach unten): Konstantan, Nickelchrom, Kupfer und Eisen

Auswertung

Die Ergebnisse der Messung sind in einem Strom-Temperatur Diagramm dargestellt (siehe Abb. 3). Bei konstanter Spannung und steigender Temperatur nimmt die Stromstärke für Eisen, Kupfer und Nickelchrom ab. Für die Konstantan ändert sich die Stromstärke kaum.

Um die Messung mit den Literaturwerten des Temperaturkoeffizienten zu vergleichen, werden die Daten in einem Widerstand-Temperatur-Diagramm aufgezeichnet und linear approximiert. Der Anstieg der Geraden nach Normierung entspricht dem Temperaturkoeffizienten. Allerdings sind die verwendeten Drähte keine reinen Stoffe und so, wegen der unbekannten Materialzusammensetzung nur bedingt mit den Literaturwerten vergleichbar.

Um das Verhalten verschiedener Leiter in Abhängigkeit der Temperatur zu zeigen, bieten verschiedene Lehrmittelfirmen spezielle Proben an: Heißleiter mit positiver (PTC, Positive Temperature Coefficient) und Kaltleiter mit negativer Temperaturabhängigkeiten (NTC, Kaltleiter), siehe Abb. 4. Auch hier ist die Materialzusammensetzung unbekannt. (Widerstände von LD didactic: PTC, 30 Ω, 58159; NTC, 4,7 kΩ, 58155, Spannung: 10 V).

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Abb. 4: Widerstand zweier Halbleiterproben in Abhängigkeit von der Temperatur: Heißleiter (fallend, NTC), Kaltleiter (steigend, PTC)

Messwerte

Hier findet sich eine Excel-Datei mit den aufgenommenen Daten der vierfach-Messung. Datei:Messwerte Strom-Temperatur.xlsx